船舶等級維修管理系統的設計與開發

魏明焓 宋庭新

摘? 要：船舶在營運過程中會發生不同程度的磨損、腐蝕和損壞，需要根據損傷程度確定維修級別和保養方式?；谠搯栴}，本文設計開發了一套船舶等級維修管理系統，可根據船舶設備的技術狀態數據，使用FMEA（失效模式與影響分析）分析和閾值分析法對船舶的維修等級與最佳維修時機進行分析計算，生成維修需求報告。測試表明，該系統可快速確定船舶維修等級、維修時間和維修范圍，對節約修船成本、縮短維修周期具有重要作用。

關鍵詞：等級維修;失效模式與效果分析;船舶;信息系統

中圖分類號：TP311.5? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Ships will experience various degrees of wear， corrosion and damage during operation， and the damage degree determines repair level and maintenance strategy. In view of these problems， this paper proposes a set of ship maintenance level management system. FMEA （Failure Mode and Effect Analysis） analysis and threshold analysis methods are used in the system to analyze and decide ship maintenance level and best maintenance timing based on technical status of ship equipment. Then， a maintenance demand report is generated. Tests show that the proposed system can quickly determine ship's repair level， repair time， and repair scope， which helps to reduce both ship repair costs and repair cycle.

Keywords： grade maintenance; failure mode and effect analysis; ship; information system

1? ?引言（Introduction）

船舶在運營過程中，為了節約維修成本和減少磨損、腐蝕等，通常根據損傷程度確定維修等級，按等級進行船舶的維修保養，船舶維修等級一般分為小修、中修和塢修[1]。小修是指對船體進行檢查，對局部腐蝕嚴重的外板、甲板及上層建筑進行修補;中修是對船體進行全面的檢修，修換已損壞或不符合標準的部件;塢修需要使用船塢，對影響船體大深度航行安全的船體、管路系統和各種裝置進行檢修，消除故障隱患。船舶的維修周期和費用會隨著維修級別的增高而變大。因此，確定船舶的維修等級、維修范圍和最佳維修時間，就成為船舶維修保養的一個重要問題。為保證船舶航行安全，控制維修成本，提高船舶運營效率，需要評估船舶的修理等級、可靠性和經濟性[2]。

目前，基于船舶技術狀態數據分析維修等級的方法主要有決策樹、層次分析法、灰色關聯分析等[3]。但是船舶維修等級的判斷不僅僅要考慮技術狀態和經濟效益，還要考慮船塢周期和維修窗口時間等因素。在實際決策中發現采用上述三種方法均產生一定程度的偏差，影響維修效率。針對上述背景，本文設計開發了一套船舶等級維修需求生成管理系統。該系統采用FMEA分析法和閾值分析法，分別從定性和定量的角度去分析船舶技術狀態數據和故障現象，確定每個故障設備的維修等級，然后采用規則推理評估算法計算各個設備的最佳維修時間，進而確定整艘船舶的維修等級、維修時間和維修范圍，為船舶的維修管理的管理人員提供了強有力的支持，更加精準地提高了船舶的維修效益。

2? ?框架介紹（Framework introduction）

系統采用B/S模式，使用了SpringBoot框架。SpringBoot框架可以簡化應用程序配置，同時SpringMVC提供模型-視圖-控制器框架，將業務處理從界面交互中獨立出來，封裝到模型和控制器中，使前后端之間互相解耦合分離，可以獨立擴展。Mybatis作為持久層數據訪問框架，由于其支持自定義SQL語句、存儲過程以及高級映射，所以在使用時，只需使用簡單的XML注解和配置，就可將數據表映射到Java接口和實體類，簡化了應用程序的開發[4]。系統總體架構如圖1所示。

3? ?系統設計方案（System design）

3.1? ?系統總體設計

根據船舶等級維修的業務需求，本系統設計了船舶管理，維修BOM管理、技術狀態數據管理、維修等級分析、維修需求生成和系統管理六個功能模塊。每個模塊之間既相互獨立又相互聯系，通過任務驅動機制建立各個模塊之間的連接，不同職能的用戶根據分配的權限執行工作任務。整個系統采用MVC設計模式，實現視圖層和業務層的分離，最大限度的減少客戶端、服務器和數據庫之間的耦合性，有利于系統的升級與維護[5]。系統功能結構如圖2所示。

3.2? ?系統主要功能模塊介紹

船舶等級維修管理系統的主要業務包括船舶技術狀態數據管理、等級維修分析、維修需求生成、維修BOM管理和船舶管理等任務。具體如下：

（1）技術狀態數據管理。主要包括設備的技術狀態數據和健康指標。技術狀態數據主要指各種檢測數據、故障現象和故障信息等，由維修人員和設備管理人員錄入。健康指標指設備的技術狀態參數范圍，不同的閾值對應不同的健康狀態，也對應不同的維修等級，由設備廠家在出廠時設定或者通過實驗確定。

（2）維修等級分析。采用定性分析和定量分析相結合的方式來確定船舶的維修等級。失效模式和效果分析（FMEA）是一種定性分析方法，主要用于分析一些現象級的故障描述信息，這類故障描述信息一般由現場檢修人員通過觀察和測量獲得，包括設備的故障現象、失效模式、工作狀態和維修過程，具有一定的經驗性和主觀性[6]。FMEA通常用于對各種故障風險進行分析和評價，以便根據現有的故障現象評估設備的健康狀態和風險等級。FMEA主要包括幾個步驟：（1）確定分析的設備對象。（2）獲取設備的技術狀態信息，如船舶的檢修記錄、故障現象等。（3）組建一個有權威性和代表性的專家團隊，根據設備的技術狀態和故障現象進行風險評估，并從風險嚴重程度（Severity， S）、檢測度（Likelihood of Detection， D）和風險發生頻率（Frequency of Occurrence，O）三個方面進行評估。（4）計算風險系數（Risk Priority Number，RPN）。風險系數由嚴重度S、檢測度D和發生率O三項分值相乘（RPN=S*D*O）得到。在FMEA分析中，最主要的就是計算失效模式的風險系數RPN。風險系數RPN的優先排序用以明確失效模式的優先順序。在計算風險系數RPN前，風險的發生率O、檢測度D及嚴重度S需分別根據評價準則賦值。閾值分析是一種定量分析方法，主要用于分析檢測數據。若船舶設備的技術狀態信息中包含有明確的測量數據，則可以采用閾值分析方法。閾值分析法需要根據設備的技術測量數據和健康指標閾值來確定設備的健康狀態和維修級別。閾值分析的前提是需要有實測數據和健康指標，經過兩者對比來確定設備的健康狀態。

（3）維修需求生成。該業務包含維修評估規則管理、維修范圍與時機確定、船舶維修需求報告生成。在維修評估規則管理中，會根據每個設備的維修等級、維修周期和使用壽命，采用規則推理的方式來確定修理時間。修理時間分三種情況：①有明確的修理時間和維修周期。這類設備主要包括船體結構和動力系統，如發動機等，間隔一段時間就需要維修。②有一些設備是沒有明確的維修時間的，但是會有使用壽命要求[6]。如船舶動力系統、控制系統和船體腐蝕問題，甚至在修理期間還會發生腐蝕，如船體結構、管路等。③在維修范圍與時機模塊，會根據FMEA分析和閾值分析的結果確定各個設備的維修等級與維修時機。然后采用IF-THEN-ELSE規則，對整艘船的維修級別、時間和范圍進行邏輯推理，最后生成船舶維修需求報告。

（4）維修BOM管理。維修BOM不同于產品BOM，是基于船舶維修需求確定的船舶核心部件，具有一定的維修周期和使用壽命，易遭受破壞或損傷。不同的船型維修BOM不同，需在船舶管理中作為基礎數據錄入系統數據庫。

3.3? ?數據庫設計

本系統涉及的數據主要包括船舶的技術狀態數據、健康指標數據、FMEA數據、評估規則、維修BOM、維修清單及船舶基礎信息等。其中，技術狀態數據是動態導入的，其他數據如船舶基礎信息、維修BOM、設備健康指標等需要作為初始數據事先錄入。系統會根據所錄入的基本信息，通過FMEA計算和閾值分析，按照評估規則自動計算船舶設備的維修等級與維修時間，最后生成維修需求報告。各模塊之間的數據流向和相互關系如圖3所示。

4? ?系統業務流程（System business process）

系統的主要流程如下：

（1）收集并錄入船舶設備的技術狀態數據和過往的故障維修信息。

（2）分析影響船舶等級修理的因素（包括風險嚴重度、檢測度、發生率等），制訂風險評價準則和健康指標閾值。

（3）根據船舶裝備技術狀態數據，分別采用FMEA分析法和閾值法確定每個設備的維修等級。

（4）根據每個設備的維修等級、維修周期和使用壽命，采用規則推理方法確定其修理時間。

（5）根據每個設備的維修等級和修理時間，確定整個船舶的修理等級、修理范圍和修理時機。

（6）生成船舶等級維修需求報告。

5? ?系統開發（System development）

如圖5所示，系統界面設計遵循簡約風格，主體色彩簡約大方，突出功能性與實用性[7]。主頁面為系統首頁，由五個基本模塊組成。最上方顯示的是主操作標題欄，右上方為個人信息，左邊為導航欄，右邊為內容展示區，在左側一級導航欄下設置了對應分類的二級導航欄，方便用戶快速查找操作頁面。

為了驗證該系統是否有效，本文進行了測試。首先錄入某型船舶的基礎信息，包括船名、型號、維修BOM，然后從BOM中選取船體結構、船體防污涂層和減速齒輪箱三個部件為例，錄入或導入該設備的技術狀態數據，同時錄入該設備的健康指標和評估規則。在進行維修等級分析時，優先考慮閾值分析法，即根據技術狀態數據和健康指標，判斷設備的維修等級。若技術狀態數據缺失，僅有故障現象描述，則采用FMEA分析法。在進行FMEA分析之前，首先設置了風險等級的評價規則，然后計算風險值RPN，最后根據RPN數值的所示范圍確定設備的維修等級。若閾值分析的結論和FMEA分析的結論不一致，以閾值分析的結論為準。這是因為定性分析的精度要高于定量分析。經過測試，該系統在評估規則的邏輯推理下，最終生成了整艘船舶的維修需求報告清單，包括維修的等級和最佳的維修時間等，達到了預期的效果。

6? ?結論（Conclusion）

本文在船舶等級修理需求的基礎上，運用失效模式與效果分析、閾值分析等理論方法，實現了船舶的維修等級判斷和維修需求決策。結合船舶維修特點，提出了一種新的等級維修管理流程，以此為基礎，開發了船舶等級維修需求生成系統。該系統基于船舶技術狀態數據，通過分析、評估和決策，實現了維修范圍、維修時間和維修等級的計算。相比于傳統的決策樹、層次分析法和灰色關聯法，分析速度快，結果更加準確和高效。同時，本系統采用自定義的邏輯推理規則，快速確定船舶設備及整艘船舶的最佳維修時間和維修等級，節省了大量不合理的維修成本，顯著地提高了船舶運營效益。

參考文獻（References）

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